Закрыть
Войдите используя аккаунт ДП:
Запомнить меня
Вы можете войти как участник:

Мы вышлем его на почту:

Причины неисправности турбокомпрессоров бензиновых двигателей

31.03.11

ВЛАДИМИР НУЖНЫХ, генеральный директор НПК «Турбо Инжиниринг»

В предыдущей статье о неисправностях турбокомпрессоров (ДП № 3, 2009) акцент был сделан на дизельных двигателях. Сегодня рассмотрим особенности, присущие бензиновым двигателям, оснащенным системой наддува.

Бензиновые двигатели оснащаются как системами газодинамического наддува с использованием турбокомпрессора, так и механическими нагнетателями различных типов, приводимыми во вращение от коленчатого вала двигателя. Мы остановимся на бензиновых двигателях с системой газодинамического наддува. Причины возникновения проблем с турбокомпрессорами на бензиновых и дизельных двигателях во многом схожи. Прежде всего это повышенные требования к качеству рабочих жидкостей и уменьшенные интервалы технического обслуживания в сравнении с обычными атмосферными двигателями. Однако неполадки в бензиновых двигателях с газодинамическим наддувом имеют свои особенности.

ТЕМПЕРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ 

Удельная мощность бензинового двигателя с турбонаддувом превышает аналогичный параметр дизельного двигателя. Температурный режим бензинового двигателя с наддувом выше температурного режима дизельного. Если у дизельных двигателей предельная температура газов перед турбиной не превышают 800 °С, то для высокофорсированных бензиновых двигателей с газодинамическим наддувом эта величина может достигать 950 °С и даже выше. Совершенно очевидно, что при таком уровне температуры к деталям и конструкции турбокомпрессора предъявляются повышенные требования. В первую очередь это касается сплавов, из которых изготовлено колесо турбины. Оно постоянно находится в контакте с выхлопными газами и нагревается практически до той же температуры. При таких термических нагрузках рабочее колесо должно иметь высокую механическую прочность, ведь частота вращения ротора 150000 об/мин – обычное дело для современного турбокомпрессора. Не стоит забывать и о ресурсе агрегата: при грамотной эксплуатации ресурс турбокомпрессора не меньше ресурса самого двигателя. Колесо турбины и вал ротора турбокомпрессора – единая деталь. Совершенно очевидно, что нагретое до температуры 1000 °С колесо неизбежно передаст часть накопленного тепла валу ротора, повышая его температуру. Вал ротора контактирует с подшипниками и моторным маслом. Предельная температура вала ротора ограничена в основном свойствами используемого масла. При превышении максимального значения температуры рабочего диапазона моторного масла происходит термическое разложение последнего с образованием твердых отложений. В конструкции современного турбокомпрессора применяются сложные технологии, например технология соединения вала ротора и колеса турбины. Необходимо обеспечить максимальную прочность соединения, однако при этом усиливаются теплообменные процессы от колеса турбины к валу ротора. Приходится искать разумный компромисс между прочностью и теплопроводностью в месте соединения деталей. Повышение рабочей температуры колеса турбины приводит к существенному удорожанию конструкции за счет использования сплава с повышенной жаростойкостью, которая чаще всего достигается увеличением доли никеля, что меняет технологию соединения вала и колеса турбины. Таким образом, при внешней схожести ротор бензинового турбокомпрессора выполнен из другого сплава и изготовлен по иной технологии, чем его дизельный аналог. И это один из факторов, вызывающих удорожание турбокомпрессора для бензиновой машины. Роторы некоторых конструкций имеют колесо турбины, выполненное из керамики (фото 1). Такой ротор имеет ряд преимуществ в сравнении с традиционным. У керамического колеса турбины меньше момент инерции, поэтому ротор раскручивается быстрее, сглаживается «турбояма». Керамика имеет низкий коэффициент теплопроводности в сравнении с традиционным жаропрочным сплавом и обладает существенно более высокой жаростойкостью, нежели сплавы на основе никеля. Но не все так радужно, как хотелось бы. Технология соединения стального вала с керамическим колесом турбины уникальна и применяется в настоящее время только одним производителем. Керамическое колесо турбины более хрупкое, чем стальное. Повреждения (сколы) колеса турбины образуются уже из-за небольших частичек твердого нагара, не страшных традиционному колесу. Вместе с тем иногда только керамическое колесо турбины способно выдержать термические нагрузки высокофорсированного двигателя и может стать безальтернативным вариантом.

КОНСТРУКЦИЯ

Повышенный температурный режим бензинового наддувного двигателя приводит к отличиям в конструкции самого турбокомпрессора. Для частичной компенсации повышенного подвода тепла в зону подшипников в конструкции турбокомпрессоров для бензиновых машин широко применяется охлаждение подшипникового узла при помощи штатной системы охлаждения двигателя. В конструкции подшипникового узла предусмотрены специальные каналы, расположенные, как правило, со стороны турбины. Эти каналы соединяются с системой охлаждения двигателя различными схемами и за счет циркуляции антифриза осуществляют отвод определенного количества теплоты от подшипникового узла, обеспечивая при этом приемлемый уровень термических нагрузок на подшипниковый узел. И если у турбокомпрессора для дизельного двигателя охлаждаемый антифризом подшипниковый узел – скорее исключение, то для бензинового это норма и жизненная необходимость. Тем не менее, несмотря на наличие охлаждаемого антифризом подшипникового узла, для бензиновых машин проблема охлаждения ротора после интенсивных нагрузок еще более актуальна, чем для дизельных машин. Если для дизельных машин время работы двигателя на холостом ходу для охлаждения ротора после интенсивных нагрузок обычно не превышает одну–две минуты, то для бензиновых это время может достигать и десять минут, особенно в жаркую погоду. Что происходит с валом ротора на бензиновом двигателе, если пренебречь этим правилом, хорошо видно на фото 2. Есть отличия и в системах регулирования. В современном дизельном двигателе в подавляющем большинстве случаев используются турбокомпрессоры с технологией изменяемой геометрии турбины или регулируемого соплового аппарата (РСА). В корпусе турбины располагаются поворотные лопатки, изменяющие проходное сечение турбины и угол атаки выхлопных газов на лопатки колеса турбины. Угол поворота лопаток согласован с режимом работы двигателя и регулируется блоком управления двигателя при помощи вакуумного исполнительного механизма. Такая конструкция достаточно сложна, но обеспечивает высокий КПД турбокомпрессора на всем рабочем диапазоне, позволяет достигать хороших эксплуатационных характеристик силового агрегата. Повышенный уровень температуры выхлопных газов бензинового двигателя в сравнении с дизельным не дает возможности, по крайней мере в настоящее время, создать работоспособную конструкцию РСА для бензиновых турбокомпрессоров с большим ресурсом. В настоящее время РСА для бензиновой машины – скорее экзотика, нежели норма.

ТОПЛИВО И ДЕТОНАЦИЯ

Учитывая вышеизложенное, совершенно очевидно, что для автомобилей с бензиновым наддувным двигателем наиболее остро стоит проблема качества используемого топлива. В бензиновом двигателе, в отличие от дизельного, сгорание топлива может сопровождаться детонацией. Это нештатный режим воспламенения рабочей смеси, который совершенно недопустим. При нормальной работе скорость распространения фронта пламени в камере сгорания находится в пределах 20–30 м/сек, при возникновении детонации ее значение возрастает до 2 км/сек. По сути, это взрыв. В таких условиях детали двигателя испытывают запредельные нагрузки и силовой агрегат быстро выходит из строя. Поэтому при создании бензинового двигателя с турбонаддувом огромное внимание уделяется мероприятиям, исключающим детонационное сгорание топлива. Наиболее эффективно детонация уменьшается и практически гасится уменьшением угла опережения зажигания. Но при этом возрастает температура выхлопных газов, так как часть рабочего хода поршня оказывается потерянной, степень расширения уменьшается, растет давление и температура газов перед турбиной. К чему приводит увеличение газов перед турбиной? На фото 3 видно разрушение профиля рабочей зоны корпуса турбины. Следует учитывать, что корпус турбины бензинового двигателя отличается от аналогичного дизельного увеличенным содержанием никеля и хрома, повышающим его жаростойкость. Но даже такие конструктивные мероприятия не всегда спасают, если используется несоответствующее топливо. На фото 4 видно, что в системе регулирования отсутствует тарелка клапана, которая должна перекрывать перепускной канал в корпусе турбины. Тарелка клапана все время омывается горячими выхлопными газами и выполнена из специальной жаростойкой стали. Она, закрывая или приоткрывая соответствующий канал, позволяет изменять количество газа, проходящего через турбину, тем самым ограничивая ее мощность и, как следствие, давление наддува. Клапан через рычажный механизм приводится в движение вакуумной камерой, работающей от давления или разрежения. Так происходит регулирование. В линии давления или разрежения расположены клапаны, управляемые по специальному алгоритму командами контроллера системы управления двигателем.

РЕСУРС И ЭКОНОМИЯ

Я специально подробно остановился на влиянии температур на турбокомпрессор, так как это наиболее весомое отличие в эксплуатации бензинового и дизельного турбокомпрессоров. Общие рекомендации практически те же, что и для дизельных двигателей. Следует учитывать, что из-за повышенного уровня термических нагрузок процессы разрушения в бензиновом турбокомпрессоре развиваются значительно быстрее, чем в дизельном. Следовательно, использование качественных фильтров, моторного масла с соответствующими допусками и эффективных антифризов позволит продлить активную жизнь турбокомпрессора. Большое влияние на ресурс двигателя и системы наддува оказывают качество топлива и его детонационная стойкость. На бензиновом двигателе с турбонаддувом абсолютно бессмысленны эксперименты с качеством топлива. «Дешевая» заправка, как правило, ведет к дорогостоящему ремонту. Современный бензиновый двигатель с турбонаддувом создавался для эксплуатации на бензинах с октановым числом 98. Использование бензина с октановым числом 95 вреда не принесет. Но это лишь на первый взгляд. При длительной эксплуатации мы получим плачевный результат. Алгоритм системы управления двигателем разработан таким образом, чтобы двигатель всегда работал на границе детонации. Реализация такого алгоритма позволяет получить максимальную отдачу двигателя при приемлемых экономических и экологических показателях. При работе на более поздних углах опережения зажигания при использовании бензина с низким октановым числом кроме снижения мощности и увеличения термических нагрузок на турбокомпрессор мы получим увеличение расхода топлива. При пересчете удельных затрат на топливо на 1 км пробега с удивлением обнаруживается, что эксплуатация двигателя с турбонаддувом на более дорогом и качественном топливе выгоднее, если учитывать продленный ресурс двигателя и турбокомпрессора.

 Разрушение тарелки клапана

 

 

Ротор Toyota с керамическимколесом турбины


Цвета побежалости вала ротора из-за высокой температуры  

 

Разрушение рабочего профиля корпуса турбины

 

Понравилось?

Детали, узлы, агрегаты